柑橘小型化分級裝備的設(shè)計及實現(xiàn)

周西福，稅云秀，何 宇，馮柯茹，楊 巖

（重慶理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

重慶市40個縣中有38個生產(chǎn)柑橘，其中直接從事柑橘產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后相關(guān)工作的人員達百余萬[1]。針對這個背景下，設(shè)計開發(fā)一款柑橘小型化的分級裝備，把工廠流水線作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@現(xiàn)場分級作業(yè)，減少多次轉(zhuǎn)場作業(yè)，解決人工分級不準確性和分級作弊等問題，同時在柑橘收獲作業(yè)中，實現(xiàn)柑橘果實的自動化和智能化，對于降低人工勞動強度和生產(chǎn)成本等具有重要意義。

本文設(shè)計的柑橘小型化分級裝備主要服務(wù)于果園農(nóng)戶小型化的自動化分級作業(yè)或柑橘采摘機器人在采摘過程中的現(xiàn)場配合作業(yè)[2]。

1 模塊化劃分

根據(jù)模塊化設(shè)計方法[3]，對柑橘小型化分級裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行如圖1所示的模塊劃分，分別為單果排序、翻轉(zhuǎn)識果及分級選果模塊。

2 分級裝備及其工作原理

結(jié)合分級裝備劃分的三個模塊單元，運用SolidWorks 對機械零件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]，并完成了各個模塊的虛擬樣機裝配。

單果排序模塊由機架、張緊器、步進電機、肋條、塑料板、傳送帶、鉸鏈合頁、軸承座等組成，如圖2所示。通過人工或者采摘機器人拿放柑橘至單果排序裝置上[5]，在相錯非對稱布置的肋條的引導(dǎo)滾動下，到達斜置傳送帶上。為了盡量降低柑橘堵塞問題，在斜置傳送帶的輔助傳送下，可以保證柑橘盡可能有序地進入下一個模塊單元，達到排果的目的，為翻轉(zhuǎn)識果作好準備工作。

圖1 分級裝備的模塊劃分

翻轉(zhuǎn)識果模塊由機架、軸承座、傳動軸、鏈輪、張緊器、傳動鏈條、翻轉(zhuǎn)輥子、翻轉(zhuǎn)圓盤、支撐架枕、齒輪、齒環(huán)、步進電機和聯(lián)軸器等組成，如圖3所示。對柑橘個體而言，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)[6,7]的運動形式有兩種，分別為柑橘的自轉(zhuǎn)運動和公轉(zhuǎn)運動。其翻轉(zhuǎn)工作原理為：步進電機I把動力傳遞至傳動鏈條I，再傳遞至傳動鏈條II，傳動鏈條II與翻轉(zhuǎn)輥子通過平鍵方式連接，柑橘會跟隨翻轉(zhuǎn)輥子的聯(lián)動實現(xiàn)自轉(zhuǎn)運動；步進電機II把動力傳遞至小齒輪，通過齒輪傳動，動力傳遞至齒圈，齒圈通過平鍵方式與翻轉(zhuǎn)圓盤整體連接，從而實現(xiàn)整個翻轉(zhuǎn)裝置的翻轉(zhuǎn)運動，即實現(xiàn)柑橘個體的公轉(zhuǎn)運動。

圖2 單果排序模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 翻轉(zhuǎn)識果模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 分級選果模塊結(jié)構(gòu)示意圖

分級選果模塊由機架、傳送帶、聯(lián)軸器、步進電機、撥果板和撥果圍欄組成，如圖4所示。根據(jù)《鮮柑橘》國家標準GB/T 12947-2008[8]把臍橙類柑橘劃分為六個等級通道。步進電機I的作用是帶動傳送帶；步進電機II的作用是實現(xiàn)各塊撥果板的開閉功能。通過對五個步進電機II的不同步距角設(shè)置，進而實現(xiàn)不同撥果板的開閉組合，完成不同等級的柑橘進入不同的等級通道的分級選果任務(wù)。

通過三維模型的設(shè)計，繪制加工圖紙，加工制造出各個功能模塊的零部件，選購相應(yīng)的標準件或元器件，進行各個功能模塊的裝配和調(diào)試，完成了分級裝備的整體樣機，整機外形尺寸為：1830mm×710mm×800mm，如圖5所示。

圖5 分級裝備總體實物圖

圖6 分級裝備工作原理

如圖6所示，人工或采摘機器人把柑橘放置于單果排序模塊中，在單果排序的縱向和橫向滾動排列的作用下，逐個進入翻轉(zhuǎn)識果模塊，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)裝置對柑橘進行多角度的圖像采集和算法處理，再根據(jù)等級信息的判斷進入到分級選果模塊相應(yīng)的等級通道。

3 控制與視覺系統(tǒng)

3.1 整體系統(tǒng)組成

為了實現(xiàn)分級裝備的自動化和智能化，制定了如圖7所示的整體系統(tǒng)的組成方案，該系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)（CCD相機）、圖像處理系統(tǒng)（上位機）、控制系統(tǒng)（STM32）和機電系統(tǒng)（機械部分和步進電機）構(gòu)成。

圖7 分級裝備系統(tǒng)組成

3.2 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)分級裝備可以準確、協(xié)調(diào)地完成多個步進電機的控制任務(wù)，控制系統(tǒng)采用基于ARM的32位微處理器STM32[9,10]，型號為STM32F103ZET6。選用相應(yīng)的步進電機驅(qū)動器、光電傳感器以及可調(diào)節(jié)電壓的直流開關(guān)電源，搭建出如圖8所示的控制系統(tǒng)平臺。

圖8 控制系統(tǒng)實物圖

整個分級裝備的控制系統(tǒng)采用模塊化編程的思想，便于控制系統(tǒng)的后期升級和調(diào)試[11]。在軟件設(shè)計和開發(fā)中選擇仿真性能比較好的Keil-MDK編程平臺，使用版本為uVision5，采用C語言進行編程，其控制程序流程圖如圖9所示。

3.3 視覺系統(tǒng)的實現(xiàn)

在機器視覺系統(tǒng)中，選用CCD相機作為柑橘表面圖像信息采集設(shè)備，相機型號為MD-U130RC，鏡頭型號為VM0420MP2，光源為可調(diào)亮度的條形光源。編程所用的開發(fā)環(huán)境是VS2010，圖像處理函數(shù)庫為HALCON12.0。試驗中所采用的計算機為HP Pavilion DM4筆記本電腦，處理器為i5-2450M，內(nèi)存為4.00G，獨立顯卡，系統(tǒng)為Win 10專業(yè)版。

圖9 控制系統(tǒng)實物圖

以臍橙為研究對象，本文采用劉新庭[12]最小外接圓法來檢測臍橙的最大果徑，按照張正友標定原理[13]確定像素大小和柑橘大小的換算系數(shù)。在翻轉(zhuǎn)識果模塊的視覺視圖中進行反復(fù)調(diào)試，如圖10所示，圖片依次展示：原始圖像→感興趣區(qū)域（ROI）的提取→RGB顏色空間三通道分離→固定閾值分割→開閉運算區(qū)域處理→連通域分析→提取以圓度和面積大小為特征參數(shù)的區(qū)域→擬合霍夫圓→處理結(jié)果。

圖10 視覺處理過程

4 分級試驗

為了更好地驗證分級裝備的準確性和可靠性，采用游標卡尺選取60個臍橙樣本，劃分為六種不同等級規(guī)格，如圖11所示。

圖11 臍橙樣本

按照圖10所示的視覺處理流程，對臍橙樣本進行分級試驗，統(tǒng)計計算出正確進入等級通道的柑橘個數(shù)占每組柑橘總數(shù)的百分比。游標卡尺測量的數(shù)據(jù)和裝備視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比，如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出：SS型臍橙樣本有1個樣本誤判進入了等級2通道；S型有2個樣本誤判進入了等級1通道；M型有1個樣本誤判進入了等級2通道；3L型有1個樣本誤判進入了等級5通道。經(jīng)過分析可知，一般在鄰級果會出現(xiàn)絕對誤差較大的誤判現(xiàn)象。出現(xiàn)誤判的原因分析：臍橙樣本的標定存在一定誤差；臍橙翻轉(zhuǎn)運動的不確定性會造成鄰級果的誤判。經(jīng)過統(tǒng)計計算，該分級裝備整體試驗中，60個臍橙樣本出現(xiàn)5個誤判，分級準確率約為91.67%。

表1 游標卡尺與裝備檢測數(shù)據(jù)對比 （單位：mm）

5 結(jié)論

針對柑橘果園多次轉(zhuǎn)場分級作業(yè)的問題，本文設(shè)計了一種小型化的柑橘新型分級裝備，從虛擬樣機的設(shè)計裝配到樣機的制造和組裝，并搭建出分級裝備的控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)，對整機系統(tǒng)進行了調(diào)試。

以臍橙類柑橘為試驗對象，對60個臍橙樣本進行了分級試驗，驗證了分級裝備的準確性和可靠性，基本滿足分級作業(yè)需求。

這種小型化的柑橘分級裝備為同類型的類球類水果分級設(shè)備的研發(fā)提供借鑒，有一定的參考價值。